水下機(jī)器人如何適應(yīng)極端環(huán)境

美國(guó)科研人員正在利用人工智能幫助水下機(jī)器人適應(yīng)各種極端環(huán)境，以完成勘察水中建筑安全狀況的任務(wù)。

海浪、風(fēng)、水流、過(guò)往船只的尾流和建筑物周圍的漩渦使水域成為經(jīng)驗(yàn)豐富的船長(zhǎng)所面臨的最復(fù)雜環(huán)境之一，更不用說(shuō)機(jī)器人了?，F(xiàn)在，美國(guó)史蒂文斯理工學(xué)院（Stevens Institute of Technology）的研究人員正在開發(fā)一種算法，教機(jī)器人適應(yīng)不斷變化的海洋動(dòng)態(tài)，以解決國(guó)民最關(guān)心的問(wèn)題之一：保護(hù)和維護(hù)我們老化的海上基礎(chǔ)設(shè)施，如碼頭、管道、橋梁和水壩。

這項(xiàng)工作由史蒂文斯理工學(xué)院的機(jī)械工程教授布倫丹·恩格羅（Brendan Englot）領(lǐng)導(dǎo)，他正在努力應(yīng)對(duì)這些水下建筑的頻率問(wèn)題。目前，主要由潛水員對(duì)水下建筑物進(jìn)行探測(cè)，但水下探測(cè)物遠(yuǎn)比潛水員多得多。有時(shí)，潛水員必須潛到地表以下極度危險(xiǎn)的深處，而他們的身體需要幾個(gè)星期才能恢復(fù)。恩格羅正在訓(xùn)練機(jī)器人承擔(dān)這樣的任務(wù)——但這并不容易。

恩格羅說(shuō)：“有很多水流會(huì)把機(jī)器人推得到處亂轉(zhuǎn)，而且水下的能見(jiàn)度通常很低，這使得水下運(yùn)載工具很難像人在地面上行走或在空中行走那樣有態(tài)勢(shì)感知能力?！?/p>

恩格羅研究小組采用了一種叫做強(qiáng)化學(xué)習(xí)的人工智能技術(shù)，它使用不基于精確數(shù)學(xué)模型的算法；相反，它采用目標(biāo)導(dǎo)向算法，教會(huì)機(jī)器人如何通過(guò)執(zhí)行動(dòng)作和觀察結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的目標(biāo)。當(dāng)機(jī)器人收集數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)更新“策略”，找出在水下操作和導(dǎo)航的最佳方式。

他們收集的數(shù)據(jù)是聲納——這是最可靠的海底航行工具。就像海豚使用回聲定位技能一樣，恩格羅的機(jī)器人會(huì)發(fā)出高頻聲波，并測(cè)量聲波在反射周圍構(gòu)造物后返回的時(shí)間，收集數(shù)據(jù)并感知周邊環(huán)境，同時(shí)可能被水流沖擊得東倒西歪。

最近，恩格羅派了一個(gè)機(jī)器人去執(zhí)行一項(xiàng)自動(dòng)任務(wù)，目標(biāo)是繪制曼哈頓碼頭的地圖?！拔覀円郧皼](méi)有那個(gè)碼頭的模型，”恩格羅說(shuō)?！艾F(xiàn)在我們能夠把我們的機(jī)器人送下去，它最終能返回并在整個(gè)任務(wù)中成功地定位自己?！痹诙鞲窳_實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建的算法的指導(dǎo)下，機(jī)器人能獨(dú)立移動(dòng)，收集信息，最后生成一幅顯示碼頭支柱位置的3D地圖。

這些初步工作鼓舞人心，但是恩格羅正在努力擴(kuò)展他的機(jī)器人的能力。恩格羅預(yù)計(jì)機(jī)器人能夠?qū)拇w到近海石油平臺(tái)的一切情況進(jìn)行常規(guī)檢查。此外，機(jī)器人還可以繪制地球廣闊的水下地形。

然而，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)意味著需解決聲納的局限性問(wèn)題。恩格羅說(shuō)：“想象一下，當(dāng)你走在一棟建筑里，在走廊里穿行時(shí)，你會(huì)看到和醫(yī)用超聲波一樣的灰度、顆粒狀的視覺(jué)清晰度?！?/p>

一旦一個(gè)結(jié)構(gòu)被繪制成地圖，自動(dòng)機(jī)器人就可以計(jì)劃第二次“傳球”——使用攝像機(jī)對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行更高分辨率的檢查。恩格羅進(jìn)一步設(shè)想了像鰻魚一樣的機(jī)器人，它們可以在縫隙和狹窄的空間中穿梭，甚至可以協(xié)助救援。恩格羅稱，要真正地利用這些技術(shù)，首先需要能夠穩(wěn)定地航行。為此，恩格羅繼續(xù)調(diào)整他的算法來(lái)提供這種穩(wěn)定性。